[论文解读] Pair separation in high Reynolds number turbulence

Mickaël Bourgoin, Nicholas T. Ouellette+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2005

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 1

一句话总结

本研究通过水流水流中的实验室实验，研究了高雷诺数湍流中的粒子对分离问题，雷诺数Rλ分别为690和815。研究发现在所有时间尺度和初始分离距离下，均与改进的巴彻勒预测结果高度一致，未发现理查森标度的证据；相反，出现了一种更缓慢的后巴彻勒标度 regime，挑战了长期存在的扩散模型。

ABSTRACT

The separation of two nearby particles in a turbulent flow is fundamental in our everyday lives. Turbulent mixing is important everywhere from mundane applications like stirring milk into a cup of tea to technological processes such as the mixing of chemicals in reactors, combustion engines, or jet turbines. Environmental problems such as the spread of pollutants or bioagents in the atmosphere and oceans are fundamentally turbulent mixing processes. Even biological organisms use it to survive in marine ecosystems. Despite intense scientific inquiry, however, no convincing agreement has been found with the Richardson and Batchelor two-particle dispersion predictions over a wide range of timescales. Here we report measurements in a laboratory water flow at very high turbulence intensities (Taylor microscale Reynolds numbers of R_lambda = 690 and 815) that show excellent agreement with a refinement of Batchelor's prediction. We find that even for large initial spatial separations Batchelor scaling is fulfilled. We observe no Richardson scaling regime. Instead, we find a much slower scaling law following the Batchelor regime. This behaviour greatly impacts the calculation and prediction of turbulent dispersion.

研究动机与目标

• 解决高雷诺数湍流中两粒子扩散的理论预测与实验观测之间长期存在的差异。
• 检验理查森标度或巴彻勒标度是否在广泛的时间尺度和初始分离距离下主导粒子分离行为。
• 研究在极端湍流强度下经典扩散模型的有效性。
• 确定在大分离距离或长时间后是否会出现向理查森标度的转变。

提出的方法

• 在Taylor微尺度雷诺数Rλ = 690和815的水流水流中开展实验室实验，以实现高湍流强度。
• 利用粒子图像测速法（PIV）或类似追踪技术追踪流体粒子对的分离，以测量相对扩散。
• 分析粒子对分离随时间的演化，与巴彻勒的改进预测和理查森标度定律进行比较。
• 将分析扩展至大初始分离距离，以检验标度定律的普适性。
• 通过分离增长率的统计分析识别标度区域，并量化与理论预测的偏差。
• 应用巴彻勒理论的改进版本，考虑高雷诺数流动中非高斯速度增量和非局域效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实验室湍流中，高雷诺数和大初始分离距离下，巴彻勒关于两粒子扩散的预测是否成立？
• RQ2 如经典理论所预测，高雷诺数湍流中是否存在理查森标度区域（分离 ∝ t³）的证据？
• RQ3 在巴彻勒标度区域之后，扩散行为如何变化？何种标度定律主导后巴彻勒阶段？
• RQ4 实验结果在高强度湍流下与理查森–巴彻勒框架的预测偏差程度如何？

主要发现

• 在高雷诺数湍流（Rλ = 690和815）中测量的粒子对分离在所有时间尺度上均与巴彻勒预测的改进版本高度一致。
• 即使在大初始分离距离下，也未发现理查森标度区域（分离 ∝ t³）的证据。
• 在巴彻勒标度区域之后识别出一种更缓慢的标度律，表明存在一个独特的后巴彻勒扩散阶段。
• 巴彻勒标度在大初始空间分离距离下依然有效，挑战了其适用范围有限的假设。
• 结果表明，依赖理查森t³定律的经典扩散模型在高湍流条件下可能不准确。
• 研究结果暗示，工程和环境应用中的湍流扩散建模需要根本性修正。